（轮机工程专业论文）城域网光纤通信自动保护系统研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 中国通信行业随着光缆网络的高速发展，现代通信网络日趋复杂使得通信网络 的维护和管理工作日益繁重，维护管理部门迫切需要以科学的手段实时、在线自动监 控网络工作状况，因而开发高性能的城域网光纤通信自动保护系统具有非常重要的意 义。本文对城域网光纤通信自动保护系统的体系结构、系统组成和工作原理进行了探 讨，并介绍了以m c s - - 5 1 单片机为核心控制器，实现高性能城域网光纤通信自动保 护系统开发的研究。全文主要包括以下几个方面的内容： 首先，在介绍了光纤通信的基本原理、城域网光纤通信体系的概况后，为城域网 光纤通信选择了理想的保护方案，采用了上、中、下三级分布式控制体系结构并介 绍了系统的工作原理。 其次，针对保护系统和光纤通信的特点，选用m c s 5 l 单片机作为线路保护核 心控制器进行了合理的光保护盘硬件设计。硬件设计的内容主要包括：基于m c s 一 5 l 单片机的控制器设计、通信电路设计、光开关控制电路设计、信号处理电路设计。 同时简要介绍了监测站和远程控制中心硬件。 随后，介绍了系统监测站模块化的m c s - - 5 1 汇编程序设计，通过该程序实现了 对系统数据地采集、处理和对线路的监测和控制。本文还对系统三级多点分层控制的 通信部分作丁详细地介绍。同时，简单介绍了基于s u a l c + + 的监测站和远程控制中 心软件。 最后，介绍了系统的硬件调试、软件调试过程和部分实验结果，论证了设计效果。 关键词：城域网自动保护报警门限光开关光功率 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ep r o m p td e v e l o p m e n to f o p t i c a ln e t w o r k si nt h em o d e m c o m m u n i c a t i o n si n c h i n a , t h ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k st u r nm o r ea n dm o r ec o m p l i c a t e dt h a ti ti sd i f f i c u l tt o a d m i n i s t r a t ea n dm a i n t a 氓a tt h es a n l et i m e ，t h ea d m i n i s t r a t i n gd e p a r t m e n t su r g e n t l yl o o k f o ras c i e n t i f i cw a yt oa u t o m a t i c a l l y , o n - l i n ea n dr e a l - t i m e l ym o n i t o ra n da d m i n i s t r a t et h e c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s i ti sv e r yi m p o r t a n tt or e s e a r c ha n dd e v e l o pah i 曲f u n c t i o n a l m e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k so p t i c a lc o m m u n i c a t i o na u t o m a t i c a l l yp r o t e c t i n gs y s t e m t h e a r c h i t e c t u r e ，c o m p o s i t i o n a n d p r i n c i p l e o f m e t r o p o l i t a n a r e an e t w o r k s o p t i c a l c o m m u n i c a t i o na u t o m a t i c a l l yp r o t e c l i n gs y s t e m sa e ed i s c u s s e d t h er e s e a r c ha b o u th o wt o a c c o m p l i s h t h i ss y s t e mw i t ht h em c s - 51 s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r 船t h e c o r ec o n t r o l l e r i sa l s oi n t r o d u c e d s t u d i e so nt h e s ea s p e c t sa r ed i s c u s s e da sf o l l o w i n g ： f i r s t l y , a r c re x p l a i n i n gt h ep r i n c i p l eo fo p t i c a lc o m m u n i c a t i o na n dt h e s t r u c t u r eo f m e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k so p t i c a lc o m m u n i c a t i o n ，t h er e a s o n a b l ep r o t e c t i n gp r o j e c t i s g i v e nf o rt h cm e t r o p o l i t a na r e an e t w o r ko p t i c a lc o m m u n i c a t i o n , a na p p r o p r i a t e c o n t r o l 矗 a n l ew i t h u p p e r - m i d d l e l o w e r p r o c e s s o r si nt h r e el a y e r si sa p p l i e dt ot h em e t r o p o l i t a n a r e an e t w o r k so p t i c a la u t o m a t i c a l l yp r o t e c t i n gs y s t e m ，a l lo f t h e ma l ed i s c u s s e di nd e t a i l s e c o n d l y , a c c o r d i n g t ot h ec h a r a c t e r i s t i co f o p t i c a lc o m m u n i c a t i o na n dr o u t ep r o t e c t i n g s y s t e m ，ar e a s o n a b l eh a r d w a r ed e s i g nu s e dm c s - 5 1 s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e ra st h e c o r ec o n t r o l l e rf o rt h ep r o t e c to fc o m m u n i c a t i o nr o u t e si sg i v e n ，t h em o d u l a r i z e dh a r d w a r e i n c l u d e ：t h ec o n t r o lc i r c u i tf o r o p t i c a ls w i t c h e r s ，t h es i g n a lp r o c e s s i n g c i r c u i tf o r a m p l i f i c a t o r ym u l t i p l e ，c o m m u n i c a t i o nc i r c u i t ，t h eh a r d w a r eo f t h em o n i t o r i n gs t a t i o na n d t h er e m o t ec o n t r o lc e l l t e ra r ei n t r o d u c e db r i e f l y ，t o o l a t e r , m e t h o do fr e a l i z i n gt h em c s 5 1m o d u l a r i z e da s s e m b l yp r o g r a m m i n gd e s i g ni n t h em o n i t o r i n gs t a t i o ni si n t r o d u c e di nd e t a i l ，t h em e t h o do fs i g n a lp r o c e s s i n ga n dt h e m e t h o do fm o n i t o ra n dc o n t r o lf o rc o m m u n i c a t i o nr o u t e sa t ei n t r o d u c e di nt h ep r o g r a m n ec h a r a c t e r i s t i co ft h r e e l a y e rm u l t i - p o i n t s c o n t r o li nt h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mi s e m p h a s i z e d a tt h es a m et i m e ，m o n i t o ra n d c o n t r o lp r o g r a mo ft h ep ci nt h eu p p e rl a y e r a n dm i d d l el a y e rb a s e do nv i s u a lc + + 6 0i sa l s og i v e nb r i e f l yi nt h i sp a p e r f i n a l l y , t h eh a r d w a r et e s t i n g s o f t w a r ed e b u g g i n ga n de x p e r i m e n t a r ei n t r o d u c e d r e s u l t so ft h ee x p e r i m e n ti n d i c a t et h a tt h ec o n t r o ls y s t e md e s i g n e di sr e l i a b l ea n ds a t i s f i e s a l ld e m a n d s k e vw o r d s ： m e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k a u t o m a t i cp r o t e c t i o n a l a r m i n gv a l u e0 p t i c a ls w i t c h e ro p t i c a lp o w e r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文 的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：扫缸戊 日期：丑掌f ；月玎日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版。允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描复制保存手段和汇编本学位论文。 保密口在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密曲。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：辛弘文 e t 期：0 - * 悼；月彳日 指导教师签名：；余旧竿 日期：如吨年? 月? 当e t 华中科技大学硕士学位论文 1 1 引言 i 概论 光纤是现代化通信网中传输信息的媒质。光纤通信作为一项新兴的通信技术， 从一开始就显示出无比的优越性，引起人们的极大兴趣和关注。在短短的二十几年中， 获得了迅速的发展。光纤通信之所以能够成功，主要得益于超纯石英玻璃纤维和半导 体激光器的研制成功。早在1 9 6 6 年英籍华人高锟，当时还是一个在英国h a r l o wi t t 实验室工作的年轻工程师，大胆地提出，人们应该能够发送高信息光脉冲到一根纤细 的玻璃中的概念，并且做了系歹1 j 实验，证明这是可以实现的。接着，1 9 7 0 年美国 康宁公司生产出了低耗损( 2 0 d b s ) 的光纤，g a a i a s 半导体激光器也在同年实现了在 室温下连续工作，从而揭开了光纤通信的序幕l i 】。 1 2 光纤通信网简介 光纤通信系统是以光为载波，以光纤为传输介质的通信系统。光波是人们熟悉的 电磁波其波长在微米级，相对应的频率菲常高( 约为l o h h n l 0 1 5 h z ) ，因而它特别 适于作宽带信号的载频。光纤通信具有下述优点： 1 ) 光波频率很高，可供利用的频带很宽，尤其适合高速宽带信息的传输，在未来 的高速通信干线，以及宽带综合服务通信网络中，更能发挥作用。 2 ) 传输损耗低，极利于长距离通信，且误码率低。 3 ) 抗电磁干扰能力强，这对于电气铁道和高压电力线的通信极为有利，也不怕雷 击和其它工业设备的电磁干扰，光纤系统也没有发生电火花的危险，因此在一些要求 防爆的场合使用光纤通信是十分安全的。 4 ) 几乎不向外辐射，因而很难被窃听，保密性能好，也不存在光缆中各根光纤之 间的信号串扰。 5 ) 光纤是电的绝缘体，因此通信线路的输入端和输出端是电绝缘的，这就没有电 位差和接地的问题。同时还有抗核辐射能力。 6 ) 光纤的原材料是石英石来源丰富、价格低廉。 华中科技大学硕士学位论文 7 ) 光缆重量轻，便于敷设和架设。 现已安装使用的光纤通信系统，光纤长度有的很短，只有几米长( 计算机内部或 机房内) ，有的很长，如连接洲与洲之间的海底光缆。6 0 年代中期以来，光纤通信的 发展速度之快令人震惊，可以说没有任何一种通信方式可以与之相比拟。光纤通信已 变成所有通信系统的最佳选择【2 】。 目前，世界上许多国家的新建通信系统均采用光纤，同时光纤通信从低速系统向 高速系统发展。5 g b s 系统也正在横跨太平洋的海底光缆系统中安装。w d m ( 波分复 用) 系统也得到广泛的使用。现在世界上广泛讨论的信息高速公路实际上就是一种高 速、大容量、宽带城域网和宽域网。世界光纤市场和元件市场1 9 9 2 年增长超过2 0 。 1 9 9 5 年欧洲光发射市场增长2 8 ，世界光纤通信市场总收入到t 9 9 9 年已增加一倍。 光纤通信产品市场价格急剧下降。2 0 0 0 年单模光纤从1 9 9 8 年的每米0 3 美元下降到 每米0 1 美元，光纤活动连接器从7 5 美元下降到1 0 美元，激光器从7 5 0 美元下降到 1 0 0 美元。光纤通信产业方兴未艾，其旺盛的生命力令人振奋【3 i 。 通信和计算机的发展，出乎许多人的预料。电子传输设备速度的高速增加只有光 纤线路的容量才能满足。硅数字器件速度充其量可达到1 2 g b s 。而镓砷器件的速度 是硅器件的三倍到五倍。10 g b s 的高速集成电路已经开发出来，2 0 0 g b s 的晶体管和 4 0 g b s 的集成电路也已进行了演示。另外，每根光纤在近红外波段具有o 8 5 1 a m 、 1 3 1 t m 和1 5 5 u m 三个传输窗口，每个传输窗1 2 1 约有2 5 0 0 0 g h z 容量。该数字相当于 当今美国一年中电话使用高峰期数量的总和，约也相当于整个无线电通信频谱数的 1 0 0 0 倍【“。 过去，通信线路是交换、终端和计算机间的技术瓶颈，但是，自从光缆使用后， 这个问题就不复存在了。 i 3 光纤通信网的发展和现状 1 3 1 光纤通信系统结构分类1 2 通常情况下，我们可以把光纤通信系统划分为三类如图1 + 1 所示。这些系统用 来连接一些节点，这些节点通常可能是交换机、终端、计算机、工作站和电话机等。 在图1 - 1 中从左到右分别表示点到点系统、一点到多点系统以及网络拓扑结构。在 华中科技大学硕士学位论丈 点到点系统中，可能是单向的，也可能是双向的，端的发射机发送信息到另一端接 收机。在一点对多点( 设有n 个工作站) 的系统中，其中站l 可发送信息到所有的 其他n - 1 个站，并可能收到他们的回答，但其他站之间不能相互通信。该系统的个 特殊情况是广播网络，即一个站可以发送信息到其他n 1 个站。 ( a ) 点对点( b ) 一点对多点( c ) 网络 图1 1 光纤通信系统结构分类 点对点系统和一点对多点系统仅仅是网络的特例。在网络中，每个站可以与其他 任何个站进行通信。现在的情况是已经铺设好的长距离干线正在转变为一点对多点 的系统或网络。前者的应用多半是光纤到户，而网络的进一步应用将变成局域网和城 域网。 图1 1 足以说明二十年来光纤通信己取得的显著成就。过去，光纤通信的主要任 务是建立点对点以满足日益增长的电信业务的需要。今天世界上发达国家，电话己相 当普及，随着信息量的不断增加人们已经要求增大传输的速度和容量【5 1 。 1 3 2 三代通信网络简介 根据物理技术的发展过程，我们可以将网络的发展历史划分为三代，如图1 2 所 示。我们可以将使用光纤之前的网络定义为第一代网络，那时的网络主要是使用铜线 和射频系统来承载和传递信息。第二代网络使用了光纤光缆传输介质，主要是利用光 纤的巨大带宽、低误码率、高可靠性、价格低廉、抗干扰能力强等特性。第二代网络 虽然由于使用光纤传输介质在很大程度上提高了性能，尤其是带宽特性，但是其通信 性能却严重受制于交换节点和终端节点的电子处理瓶颈。为了充分利用光纡潜在的巨 华中科技大学硕士学位论文 大带宽，满足不断增长的带宽需求，第三代网络引入了光交换机或光路由器等直接在 光层配置光通信节点的设备，以消除电子瓶颈问题。可喜的是新型光纤、全光波带放 大器、光耦合器、可调谐激光器，探测器，滤波嚣和全光交叉连接器等技术的进步，使 得第三代网络成为可能。 ( a ) 第一代( b ) 第二代 圃 终端节点 铜线缆链路 ( c ) 第三代 光节点 图1 - 2 网络技术的演进三代通信网络结构 实际上，第三代网络最重要的优点并不仅仅在于其可测参数的优良性能，而且更 多的在于其开放性。所谓开放性就是容易使用、改变以及它的资源共享性，这种特性 今天越来越受到重视，特别是在计算机网络中。许多第三代网络本质上具有协议透明 性，即许多互不相同的数字速率和制式可以同时兼容。第三代网络结构上非常灵活， 因此可以随时增加一些新节点，包括增加些无源分路合路器和短光纤，而不必安 装另外的切换节点或者长光缆。这种特性在空分交换网络中是需要的。或许这就是为 什么像以太网或者信令环这样的局域网从来不会受到用户交换机竞争的影响a 1 3 3 光纤通信网络的分类 光纤通信网络通常可以从网络的主要性能、网络的技术特征以及技术体制三方面 来进行分类。 1 3 3 1 按技术特征分类 般是按网络的拓扑结构和媒质接入控f 静i ( m a c ) 子层的特征分类。 ) 净 永 罾 华中科技大学硕士学位论文 1 _ 按网络的拓扑结构分类： 光纤通信网络的基本拓扑结构通常有总线型、环形、星形、树形以及它们的组合。 2 按媒质接入控制( m a c ) 子层的特征分类： 这一层的分类是复杂的，它包括了不同的复接方式和交换方式。基本的复接方式 有：时分、波分( 频分) 、空分和码分四类。还可以采用混合复接方式，如波分，时分， 波分，空分，及波分、副载波网络等。当前，光纤通信网中采用最多的是时分复接方 式，但是波分复接方式以及波分与时分、波分与微波副载波相结合的复接方式已受到 人们普遍重视，特别是在高速网中。而空分和码分采用较少【2 】。 基本的交换方式有：电路交换、分组交换以及集两者之长处的异步传送模式 ( a t m ) ，也可以采用混合交换模式。 1 3 - 3 2 按技术体制分类 光纤通信网络从技术体制上可分为准同步数字( p d 均光传输网络和同步数字 ( s d h ) 光传输网络两类。p d h 网络可分为基群、二次群、三次群、四次群及五次群网 络。目前我国长途干线网络绝大部分均使用四次群网络。s d h 网络可分为 s t m - l ( 1 5 5 m b s ) 、s t m 一4 ( 6 2 2 m b s ) s t m 一1 6 ( 2 5 g b s ) 网络。 1 3 3 3 按主要性能分类2 l 1 从通信业务种类分类 可粗略地分为计算机网络( 或数据网) 和综合业务数字网两大类。 1 ) 计算机网络 计算机网络是为相互交换信息丽互连在一起，但叉独立的计算机集合， 2 1 综合业务数字网( i s d n ) 由数字电话发展演变而成的能够实现用户终端数字信号进网，并且能提供端对端 的数字连接从而可以用同一个网络来承载各种话音和非话音业务，如数据、传真、 可视图文、电子信箱、可视电话及会议电视等着就是综合业务数字网( i s d n ，i n t e g r a t e d s e r v i c e sd i g i t a ln e t w o r k ) 。i s d n 可分为窄带和宽带两类。窄带的含义是提供信息业务 的数据率均不超过2 0 4 8 m b s 。 2 按网络速率分类 一般分为低速、中速和高速( 趋高速) 网络。低速通常指数据速率低于或等于 华中科技大学硕士学位论文 1 0 m b s ，中速指1 0 5 0 m b s ，高速指大于5 0 m b s 。数据速率高于l g b s 的有时称作高 速网络。 3 从网的最大服务范围( 或网径) 分类 传统上，以服务范围的大小把网络分为三类： 1 ) 局域网( l a n l o c a la r e an e t w o r k ) l a n 是一种小范围内多用户传输网络，它可能仅仅是一个办公室、一个建筑物内、 或者在一个建筑群体内的网络，其传输距离最多也只有1 0 k i n 。它包括连接主机、存 储设备、数据终端以及其他外围设备的专用计算机网络，例如可包括以太黼、i b m 信 令环及光纤分布数据接口( f d d d 。 2 ) 城域网( m a n ，m e t r o p o l i t a n a r e a n e t w o r k ) m a n 是在信息量集中的区域内，例如在一个城市内，两个建筑物内，两个l a n 之间传输信息的网络，或者用于宽域网的本地分配网络。传输距离最远可达到1 0 0 k i n 。 这种网络通常被认为是夹在w a n 和l a n 之间的网络可认为是到w a n 的网关。它 可包括电话本地网络、商业网络。电缆电视c a t v 用户和社区网络，以及在有限的区 域内连接建筑物的专用商业网络。 3 ) 宽域网( w a n ，w i d e a r e a n e t w o r k ) w a n 指的是在信道集中点、电话交话局。交换中心或者上，下话路之间的长距离 传输，传输距离在一个国家内部通常可达到几千公里，可包括卫星以及长距离微波 和光纤干线。图t 3 表示宽域网及其于m a n 和l a n 的互连。 华中科技大学硕士学位论丈 图1 3 宽域网及其与m a n 和l a n 的互连示意图 1 3 4 光纤通信两的现状 在过去的几十年里，由于光纤无与伦比的优点，光纤通信技术发展迅速，广泛应 用于海底、陆地长距离干线通信以及有线电视网等。2 0 世纪8 0 年代中期，光纤开始 用于长距离干线通信，传输速率为1 4 0 m b s 。从那时起，光纤便在很多国家( 包括我 国) 的电话网及有线电视网中逐渐取代了铜线。最近几年来，光通信的容量每2 4 年 就增长一倍。在世界的很多地方，每根光纤的带宽已经超过2 5 g b s ，可容纳4 0 0 0 0 门电话。现在越来越多的地方在使用基于光纤的2 5 g b s 同步数字网，同时世界很多 地方已经开始试验1 0 g b s 的系统。这不仅依赖于光纤技术，也需要微电子技术及软 件技术有所刨新。现在，超高速通信在技术上没有问题，但成本限制了其发展速度。 在过去的几十年里光波技术的突破已经改变了长距离干线通信。同时随着我们对 通信容量的需求不断增加，尤其是交互式服务和多媒体通信更是需要极高的带宽。最 华中科技大学硕士学位论文 然，光纤到户是光纤技术发展的最佳境地和必然，因而短距离干线通信的研究和运用 成为光纤通信的新趋势。所以很多专家认为未来的通信将是基于全光网络，包括光波 频分复用技术、信息高速公路、使用高质量可调诣本地激光器的相干检测技术、干线 网及局域网中的全光交换技术等。虽然成本将是光纤到户发展的障碍，但这只是暂时 的。现在光纤技术正在由点到点链路发展成为网络，故光纤到户是未来通信发展的必 然。 有关部门预测，2 0 0 1 - - 2 0 0 5 年，国内的光缆建设需求分别为：2 0 0 1 年3 8 1 万公 里，2 0 0 2 年3 8 7 万公里，2 0 0 3 年4 1 5 万公里，2 0 0 4 年4 5 4 万公里，2 0 0 5 年为5 0 ，4 万公里。根据我国光缆发展状况，可以预见，在中国未来的二、三年内，光缆保护产 品将会有巨大的市场空间。目前，除了吉通网、c 网没有自己的干线网以外，中国电 信网、网通网、铁通网、广电网、联通网、移动网、电力网和军队网都有自己的干线。 目前中国电信网的上级主管中国电信集团总公司已将光缆保护建设项目列入今年的 建设计划之中。 如前所述，到2 0 0 5 年，中国信息产业会有更大的发展，而光缆建设将会成倍翻 番，达到2 l o 万公里【6 】。 1 4 城域网光纤通信自动保护系统体系的概况7 l 网络的自动保护能力即网络的生存性，是指网络在经受各种故障后能够维持可接 受业务质量的能力，特别是在战争、失火、地震、光纤断裂、有害的辐射以及其它人 为的或自然的灾难中维持业务质量的能力，而不是通常的电磁干扰或串音等影响。网 络的生存性是网络完整性的一部分。尽管人们在网络的设计中和运营中采用各种方法 来保证网络的完整性，但网络从未到达1 0 0 的可用性。 在设计通信网络时，网络的生存性是至关重要的部分，网络的设计和规划人员必 须考虑如何避免在不同层间恢复方案的争用、促进彼此之阃合作并共享空余容量、增 加一定的投资预算获得的有效性和在确保定生存性时减少需求的投资费用等问题。 网络的保护与恢复是保证网络正常运转的重要手段，应该在网络的初始设计阶段中仔 细考虑。 由于网络技术的不断发展使得越来越多的业务量集中到越来越少量的路由器、交 换机和传输终端等设备上，这样每出现一次网络故障( 节点故障和链路故障) 就会影啊 华中科技大学硕士学位论文 比过去的网络情况下多得多的用户的通信。所以网络的生存性已成为网络、特别是下 一代网络设计中需要特别关注的重要内容，随着陬络规模和容量的日益扩大，网络的 生存性显得越来越重要。 中国电信3 0 万公里长途通信光缆连接首都北京、3 0 个省会、3 7 0 个地市、3 0 0 0 个县，构成现代化、超大容量的国家信息高速公路网，成为银行、海关、保险、股市、 党政军等国民经济建设的基础。信息与通信高新技术的发展，使得每个城市之间的光 缆通信容量同时提供高达1 0 0 0 万个6 4 k b i t s 数据或话音通信信道。在3 0 万公里长 途光缆网之外，中国电信市话本地光缆网达到7 0 万公里以上，仅北京市市区光缆密 度就达到5 0 0 0 公里以上。为保证国家长途光缆网安全、畅通无阻，中国电信投入3 万余名光缆线路专业维护人员和每年3 0 亿维护经营费用，在全国9 6 0 万平方公里的 土地上，每年三百六十五日不停地对三十万长途光缆线路进行巡回、护线、维护、抢 修。然而，面对3 0 万公里长途光缆沿线的公路、桥梁、建筑、堤坝等全面高速发展 的国民经济建设“大工地”，面对大自然的各种灾害，面对各种人为破坏，每年长途 光缆全部光纤阻断2 0 0 余次每次阻断抢修接通时间( 阻断历时) 平均十小时，每年 给国民经济建设造成近十亿不可挽回的巨额损失。相对于长途光缆故障对国家的影 响，每个市话本地网光缆的故障虽不会波及全国，但也会影响到千家万户、党政军各 部门和各企事业单位。每年发生在全国市话本地光缆网的阻断故障容量越大信息时 代国民经济对其依赖越严重：光缆的故障对国民经济建设的影响越大、危险度越高， 甚至会使信息化的国民经济建设瘫痪 6 】。因此在设计网络时，首要问题就是确保网络 的生存性，使其具有自愈能力。所谓自愈是指网络发生故障时，无需人为干预，己可 在极短的时间内从失效故障中自动恢复所携带的业务，使用后感觉不到网络出现了故 障。其本质就是使网络具有发现故障并找到替代路由的能力，在较短的时间内重新建 立通信。实现网络生存性一般有两种方法：网络保护与网络恢复。 网络技术的高速发展，使得人们对网络的依赖性越来越大，我们可以很容易地认 识到，一种健壮的网络结构就追切需要种快速、可靠的交叉连接机制和重选路由技 术以实现对业务的保护倒换目的。为了提高网络的生存能力，人们通常利用以下方法： 1 ) 降低网络单元脆弱性，特别是硬件、软件故障以及过程差错引起的脆弱性： 2 ) 提高网络对网络单元失效的鲁棒性，提高网络拓扑结构的可靠性： 3 ) 通过网络保护恢复技术来实现网络的生存性。 9 华中科技大学硕士学位论文 第一种方法，侧重于提高网络单元的可靠性，从而改善网络的生存性。而后两种 方法，特别是网络保护恢复技术，则是在现有网络单元的基础上通过适当的生存机 制来提高网络的生存能力。本文所研究的城域网光纤通信自动保护系统通过采用第三 种保护恢复方法来提高网络的生存性嘲。 1 5 课题来源及目的 该课题是由武汉长江通信集团承担、华中科技大学协作的武汉市科技创新基金项 目。武汉长江通讯集团作为我国通信业的服务单位，根据市场需求，及时提出以城域 网光纤通信自动保护系统为新产品的研究和开发。 城域网光纤通信自动保护系统的研究，其目的足为跟踪国外先进技术、解决一些 关键技术而开展的一项课题。通过对该系统的研究，进而为提高光纤通信网的安全性、 可靠性和稳定性提供关键技术。 1 6 本文的主要研究工作 城域网光纤通信自动保护系统集光纤通信技术、计算机技术、自动控制技术、光 电检测技术等为一体，是多学科的交叉和综合。本人从城域网光纤通信实时自动监控 的角度出发，进行相关探讨和研究工作。本文主要叙述了以下几方面的内容： 1 ) 城域网光纤通信自动保护系统组成结构及工作原理： 2 ) 城域网光纤通信自动保护系统光保护盘的硬件研制： 3 ) 城域网光纤通信自动保护系统光保护盘的软件研制： 4 ) 系统集成与调试。 华中科技大学硕士学位论文 2 城域网光纤通信自动保护系统的组成结构和工作原理 2 1 引言 城域网光纤通信自动保护系统采用光纤的备份使用机制，用一条主路光纤、一条 各路光纤来保证传输系统的稳定性、可靠性。是一种在主线路出现故障或阻断时，用 备用线路代替主线路继续工作、从而保障薤个通信正常进行的实时监测系统。因而， 该系统所要达到的目的就是运用光纤保护系统的这种机制，来保证通信系统稳定、可 靠地运行，从而将由于线路故障所引起的不便和损失减d , 至t j 最低程度。 2 2 光纤通信系统的基本组成 光纤通信系统的组成如图2 1 所示，这是最基本的组成方框图。它包括发送、传 输和接收三部分。加上适当的接口以后，就可作为一个独立的“光线路”插入现有的 或新架设的通信系统中，根据传输信号的形式可以把光纤通信系统分为数字光纤通 信系统和模拟光纤通信系统两大类。因为光纤的频带很宽。对传输数字信号十分有利， 所以高速率、大容量、长距离的光纤通信系统均为数字光纤通信系统，短距离、小容 量的光纤通信系统通常采用模拟光纤通信系统【3 i 。 图2 1 光纤通信系统的基本组成( 单向传输) 从图2 1 可以看出：不论是数字光纤通信系统还是模拟光纤通信系统，图中的几 个组成部分都是必不可少的，当然，图中光源驱动电路、光源本身、光电检测器和光 接收电路均按具体的要求进彳亍设计和选择。随着光放大嚣的研制成功，光中继器己由 光放大器所取代，这样既提高了通信距离又改善了通信质量。 基本光纤传输系统的三个组成都分： 。 1 光发射机 光发射机的功能是把输入电信号转换为光信号，并用耦合技术把光信号最大限度 地注入光纤线路。光发射机由光源、驱动器和调制器组成，光源是光发射机的核心。 华中科技大学硕士学位论文 光发射机的性能基本上取决于光源的特性，对光源的要求是输出功率足够大，调制频 率足够高，谱线宽度和光束发射角尽可能小，输出功率和波长稳定，器件寿命长。目 前广泛使用的光源有半导体二极管( l e d ) 和半导体激光二极管( 或称激光器) ( l d ) ，以 及谱线宽度很小的动态单纵模分布反馈( d f b ) 激光器。有限场合也使用固体激光器。 光发射机把电信号转换为光信号的过程( 常称为电光或e o 转换) ，是通过电信 号对光的调制而实现的。目前有直接调制和间接调制( 或称外调制) 两种方案。直接 调制是用电信号直接调制半导体激光器或发光二极管的驱动电流，使输出光随着电信 号变化而实现的。这种方案技术简单，成本较低，容易实现，但是调制速度受到激光 器的频率特性所限制。外调制是把激光的产生和调制分开，采用独立的调制器调制激 光器的输出光而实现的。 2 光纤线路 光纤线路的功能是把来自光发射机的光信号，以尽可能小的畸变( 失真) 和衰减 传输到光接收机。光纤线路由光纤、光纤接头和光纤连接器组成。光纤是光纤线路的 主体，接头和连接器是不可缺少的器件。实际工程中使用的是容纳许多光纤的光缆。 光纤线路的性能主要由光缆内光纤的传输特性决定。对光纤的基本要求是损耗和色散 这两个传输特性参数尽可能地小，而且有足够的机械特性和环境特性。 目前使用的石英光纤有多模光纤和单模光纤，单模光纤的传输特性比多模光纤好， 价格比多模光纤便宜，因而得到广泛的应用。单模光纤配合半导体激光器，适合大容 量长距离光纤传输系统，而小容量短距离系统用多模光纤配合半导体发光二极管更适 合。 3 光接收机 光接收机的功能是把光纤线路输出、产生畸变和衰减的微弱光信号转换为电信 号，并经过放大和处理后恢复成发射前的电信号。光接收机由光检测器、放大器和相 关电路组成，光检测器是光接收机的核心。对光检测器的要求是响应度高、噪声低和 响应速度快。目前广泛使用的光检测器有两种类型：在半导体p n 结中加入本征层的 p i n 光电二极管( p i n p d ) 和雪崩光电二极管( a p d ) 。 光接收机把光信号转换为电信号的过程( 常称为光电或o e 转换) ，是通过光检 测器的检测实现的。检测方式有直接检测和外差检测两种。直接检测是用检测器直接 把光信号转换为电信号。这种检测方式设备简单、经济实用，是当前光纤通信系统普 遍采用的方式。外差检测要设置一个本地振荡器和一个光混频器中产生查拍而输出中 频光信号，再由光检测器把中频光信号转换为电信号。外差检测的优点是有很高的接 收灵敏度，难点是需要频率非常稳定，相位和偏振方向可控制，谱线宽度很窄的单模 激光源f ”。 1 2 华中科技大学硕士学位论文 2 3 城域网光纤通信系统的分层结构 从基本特征看，城域网是一种主要面向企事业用户的，最大的覆盖城市及其郊区 范围的，可提供丰富业务和支持多种通信协议的公用网，实际是一种带有某些广域网 特点的本地应用型网络，可以说城域网的关键特征是公用多业务网，从而带来了一系 列有别于其它网络的特点l i o 。 宽带城域网从逻辑上采用分层的建网思路，这样可使网络结构明晰，各层功能实 体之间的作用定位清楚，接口开放、标准。根据网络不同的规模，可分为骨干层、汇 接层和接入层。一般情况下，骨干层和汇接层可合为一层称为核心层，这样有利于扩 大接入层的服务范围，降低宽带城域网的建设成本，如图2 2 所示p j 。骨干层的主要 功能是给业务汇接点提供高容量的业务承载与交换通道，实现各叠加网的互联互通： 汇接层主要是给业务接入点提供业务的汇聚、管理和分发处理。汇接节点设备完成诸 如p v c 的合并和交换，l 2 t p 、i p s e c 等各类隧道的终结和交换，流分类，对用户进行 鉴权、认证、计费管理，多i s p 选择等智能业务处理机制；接入层则是利用光纤、双 绞线、同轴电缆等传输介质，实现与用户的连接，并进行业务和宽带的分配l 。 同 层 八层 图2 2 城域网的分层结构 城域网处于骨干网的边缘汇聚节点，主要功能进行本地业务的接入、汇聚、传输 和交换，同时面向骨干网汇聚和吸收业务量。 华中科技大学硕士学位论文 2 4 光纤通信网保护系统 2 4 1 光纤通信网保护系统概述1 1 2 】 实现网络生存性一般有两种方法：保护和恢复。 保护是指利用节点间预先分配的容量实旌网络保护，即当一个工作通路失效时， 利用备用设备的倒换，使工作信号通过保护通路维持正常传输。保护往往处于本地网 元或远端网元的控制下，无需外部网管系统的介入，保护倒换时间很短，但备用资源 无法在网络范围内共享，资源利用率低【i 。 恢复则通常利用节点间可用的任何容量，包括预留的专用空闲备用容量、网络专 用的容量乃至低优先级业务可释放的容量，还需要准确地知道故障点的位置，其实质 是在网络中寻找失效路由的替代路由，因而恢复算法与网络选用算法相同。使用网络 恢复可大大节省网络资源，但恢复倒换由外部网络操作系统控制，具有相对较长的计 算时间f 1 4 1 。 通常认为保护是一种能够提供快速恢复、适用特定拓扑的技术( 例如线形和环 形) # 而恢复通常主要适用网状拓扑，能最佳的利用网络资源。 表征网络生存性能的主要技术指标有： 1 ) 冗余度。定义为网络中总空闲容量( 为恢复保留) 与总工作容量之比。 2 ) 恢复率。定义为已恢复的通道数和原来失效的总通道数之比，或定义为已恢复 的失效容量和原来失效的总容量之比。 3 ) 恢复时间。它是与恢复率紧密相关的，定义为以一定的恢复率为目标，恢复网 络所需要的时间。一般情况下，冗余度越大，恢复时间越短，恢复率也就越高。如果 龟许的恢复时间越长，恢复率也越高。如果网络有足q # 的冗余度，恢复率可能接近或 达到1 0 0 。 4 ) 开销以及复杂度。在制定合适的生存性策略中+ 应根据网络或用户的不同需求， 时冗余度、恢复时间以及恢复率进行优化以选择最佳可案，并实现网络资源的合理使 目，恢复时间不仅与所采用的恢复技术有关，还与恢迈尊法、消息的传送和处理时间 茸是吼 本文采取的网络生存性策略是网络保护方法，它化城域网中，尤其是城域骨干网 c u 的直用越来越广泛，在提高城域网通信的稳定性车u 一口靠性中的作用日益凸现出来。 ：4 2 光纤通信网自动保护系统方案选择i ” 随着w d m 系统的广泛使用。芷光层上实现对0 j 点系统的保护倒换就成为一个 华中科技大学硕士学位论文 非常重要的课题。许多光网络的保护结构与s d h 是极其相似的。对于点对点的线路 系统，经常考虑l + t 和l ：1 的线路( 光复用段o m s ) 保护倒换方案。 线路保护倒换的工作原理是当工作链路传输中断或性能劣化到一定程度后，系统 倒换设备将主信号自动转至备用光纤系统来传输，从而使接收端仍能接收到正常的信 号而感觉不到网络已出现故障。该保护方法只能保护传输链路，无法提供网络节点的 失效保护，因此主要适用于点到点应用的保护【4 。 1 1 + 1 光保护层【1 6 】 对于1 + 1 光链路保护，只能对链路故障中的业务进行保护。这种方法是利用光滤 波器来桥接光信号，并把同样的两路信号分别送入工作光纤和保护光纤的通道中。保 护倒换完全是在广域网内实现。当遇到单一的链路故障时，在接收端的光开关便把线 路切换到保护光纤。由于在这里电层的复制和操作，所以除了当发射机和接收机发生 故障时会丢失业务外，一切故障都可以恢复。其工作原理如图2 3 所示。 桥接器 嘲换开关 图2 31 + l 光层保护原理 2 1 ：l 光保护层 ( 1 ：1 ) 的光层保护方案与( 1 + 1 ) 的光层保护方案很类似，都是利用备用的路由 链路来避免链路故障对业务的影响。业务流量并不是被永久地桥接到工怍和保护光纤 上，相反，只有出现故障时，才在工作光纤和保护光纤之间进行一次切换，如图2 4 所示。 矫接器 倒换开关 z j p 3 信倍道 图2 41 ：1 光层保护原理 在双向通道- p ，“气恢障事件出现时，使用a p s 信令信道束协调交换印的保护例 华中科技大学硕士学位论文 换动作。在( 1 + 1 ) 的s o n e t 网络中的保护恢复结构中，在头和尾之间有一个a p s 信道，保护倒换的实现既使用了保护光纤又使用了一条a p s 信令信道。而在( 1 ：1 ) 的光层保护结构中，在保护光纤中不必存在相互通信的通道，因为这种结构没有在电 层上被复制信号。只有当发射端和接收端都切换到保护光纤中，这个通信通道才建立 起来。当出现故障时，如果接收端不知道发射端是否切换到保护光纤上时，接收机端 就经由保护光纤给发射端发出一个消息。因此当接收机最初倒换到保护光纤上时它 并不能接收到任何信号。而如果发射端已切换到保护光纤上了，那么利用上述过程就 可完成对业务的保护和恢复。否则，业务流量就会丢失。如果再由一个独立的“带外” 光业务通道来支持保护倒换的信令，那么这种发射机与接收机在协调工作方面的困难 就可以避免掉【l 。 3 1 ：n 光保护层【”1 ( 1 ：n